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1、石油工程中的关键力学问题

(联系人:薛世峰、孙峰,王海静、朱秀星等,13905461200,sfeng@upc.edu.cn


(1) 地应力场综合定量研究与应用

       开展地应力场综合定量研究对于油藏高效勘探开发具有重要的指导作用。课题组研究形成了一套系统的以岩石物理试验测试为分析基础,研究区域构造活动、GPS形变观测数据为边界约束,单井测井解释、水力压裂监测数据为点约束,综合构造特征、断裂分布等多源资料的单井分层地应力分析、区块平面地应力展布及重点工区3D空间地应力变化的综合定量评价方法体系。

       以该项成果为依托,课题组先后承担国家重大科技专项、中石油重大科技专项及油田生产课题3项,发表研究成果论文7篇,出版研究专著1部。



中东鲁卜哈里盆地应力场研究方案

(2)油井出砂定量预测与管理技术

       以油田出砂问题研究为背景,在收集资料和实验研究的基础上,对储层出砂机理进行系统的分类,应用液固耦合理论分类建立储层出砂的地质力学模型。与飞箭公司(FEPG)及加拿大计算机数模公司(CMG)合作,攻克了液固耦合地质力学模型定量分析这一核心技术,开发相关的模型定量分析技术软件。将储层出砂定量分析课题所涉及的资料收集(数据库)、地质力学建模和定量分析技术软件的开发三个主要内容,在一个开放统一的平台上作智能化、模块化的固化集成,以可视智能型工具盒和数据库的形式直接提供给现场工程人员使用,将其转化为直接生产力。

      研究过程中,先后完成Schlumberger、中海油、中石油、中石化等多家石油企业5项研究课题,开发油井出砂管理软件2套,发表科技成果论文8篇。该项研究成果通过了山东省科技厅科技成果鉴定,达到国际先进水平。

工作基础

      与Schlumberger石油公司国际合作项目《Sand Erosion Mechanism And Wellbore Stabilities》

      中海油科研攻关项目《疏松砂岩适度出砂规律及其合理生产压差控制技术》

      中石油石油科技中青年创新基金项目《液固耦合理论在油田产层出砂中的应用和出砂定量预测分析系统的研究》

      中石化胜利分公司科研合作项目《疏松砂岩地层稳定性及防砂工艺参数优化研究》


油井出砂定量分析系统软件

(3) 低渗透油藏储层改造相关的基础力学研究及大尺度试验装备研制   

       针对低渗透油藏强敏感、非达西渗流等开发特征,课题组通过开展岩心物性实验测试、大尺度真三轴室内物理模拟等研究,建立低渗透油藏储层改造井组流体动力学模型,总结分析地层岩性、结构或构造、地应力变化、射孔分布等因素对储层改造效果的影响,从而确定影响低渗透油藏增产增注效果的关键因素。

      在国家“211项目”及相关油田科研生产课题的支持下,课题组自主研究建设了大型三轴高压岩石力学实验系统如下图,该系统采用伺服液压动力装置,实现了加载与实验过程自动测控等,能够施加三个不同方向的地应力和井筒流体压力,最大工作压力可达30MPa,试件尺寸可达800mm×800mm×800m。

工作基础

      中石油重大科技专项《低渗敏感储层渗流机理及增注技术研究》

      中石化胜利分公司合作项目《低渗双重介质砂岩油藏水力裂缝扩展规律及效果评价研究》

      中石化胜利分公司合作项目《商4区整体压裂改造效果评价》

      中石化胜利分公司合作项目《重复压裂力学机理研究》

      中海油科研合作项目《疏松砂岩地应力及裂缝起裂研究》



大尺寸真三轴岩石力学实验装备

(4) 热-流-变形多场耦合理论及在稠油热采工程中的应用

       通过岩石物理实验以及地下渗流场、温度场与变形场耦合机制研究,建立了相关的热-流-变形耦合模型,将其应用于高温汽/液两相流在地层内传热规律、地层稳定性评价、热采水平井/直井注汽管柱优化等一系列稠油热采开发难题中,开发研制水平井均匀配注器、直井高温气/液混合器等系列生产工具及配套设计软件。

      先后完成国家自然科学基金、国际合作项目及油田生产课题8项,发表研究论文11篇,开发水平井均匀注汽实验装备1套、获得国家专利授权1项,国家软件知识产权授权1项。研究成果通过山东省科技厅科技成果鉴定达到国家先进水平。

工作基础

      国家自然科学基金项目《断层中的热流固耦合作用的理论研究及其应用》

      国际合作项目《Thermal-Hydraulic-Mechanics Model of Integrity of Structural shale》

      中石化胜利分公司科研合作项目《稠油热采水平井均匀注汽工艺研究》

      中石化胜利分公司科研合作项目《稠油热采垂直井均匀注汽及防砂工艺优化设计》

      中石化胜利分公司科研合作项目《稠油热采水平井配套工艺技术及试验研究》

      中石化河南油田科研合作项目《水平井改善吸汽剖面优化设计研究》



直井/水平井注汽参数优化软件


水平井均匀注汽地面试验


(5)地质灾害的监测、预报及定量分析技术  

       该项成果研究揭示水库地震危险性的大小与库区构造环境、应力场背景以及水库载荷作用的大小及其动态变化相关联,并以紫坪铺水库、龙滩水库为例,在对库区地质构造及水文地质结构条件、水库蓄水后地震活动时空演化特征等进行详细研究的基础上,利用有限元方法计算了水库蓄水过程中弹性附加应力场、有效附加应力场、孔隙压力和断层稳定性的动态变化,分析了RIS时空演化与库水加卸载及渗透过程的动态响应关系。研究过程中先后完成国家“十一五”科技支撑计划、国际合作项目、中国地震局科技星火计划及中石化科研攻关项目5项,发表研究成果论文7篇,出版研究专著1部。

工作基础

      国家“十一五”科技支撑计划《水库地震活动主要影响因素的数值模拟》

      国家“十一五”科技支撑计划《典型水库流-固耦合条件下水库诱发地震活动及动态响应机制研究》

      国际合作项目《东营Du-Pont Well#1 注水诱发地震试验》

      中国地震局科技星火计划《龙滩库区流-固耦合作用过程与水库诱发地震研究》

      中石化科研攻关项目《地质灾害对管道结构稳定的影响及安全分析》


紫平铺库区地质构造与水文地质结构模型


库水渗透过程中断裂的孔压响应分析


(6)射孔井井筒-油藏系统动力学理论、试验研究及应用    

      该项成果通过开展射孔井井筒-油藏系统动力学理论研究,结合室内打靶、射孔岩心靶流动特性测试、岩心基础性能测试、水平井流入动态地面模拟等试验研究,重点考虑地层物性、储层伤害、射孔参数、打开程度等因素的影响,分别研究以最大产率比、均衡开采和延缓边底水锥进为目标的射孔优化方法,集成上述研究成果形成相关工程配套设计软件。

     该项研究成果累计发表研究论文19篇,开发油藏-井筒耦合实验装备1套,开发水平井优化射孔分析软件2套。以该项成果为依托,课题组目前承担国家“十二五”重大科技专项及油田生产课题4项。

工作基础

      国家“十二五”重大科技专项《超高温高压射孔、测试与改造技术》

      中石化胜利分公司科研合作项目《东辛油区水平井射孔技术优化研究》

      中石化胜利分公司科研合作项目《断块油藏水平井变密度射孔技术研究》

      中石化胜利分公司科研合作项目《多层断块油藏直井变密度射孔技术研究》


井筒-油藏动力学实验系统


射孔优化流程



(7)复杂井筒环境管柱关键力学问题分析

       该项成果基于爆炸动力学、井筒流体—结构动力学系统理论,考虑管柱自重、压力、温度、管柱与井壁摩擦、流体摩阻、液体浮力等因素的影响,建立下井管柱结构与井筒流体相互作用力学分析模型。应用有限元仿真技术,模拟射孔弹射孔过程、爆轰压力波产生对管柱结构的冲击,分析管柱结构的动力学响应及安全性;针对TCP下井管柱作业过程(下井/上提)中的遇阻/遇卡工况,数值分析管柱结构的力学响应,为管柱结构安全设计提供依据。

       由研国家“十二五”重大科技科技专项支撑,完成中石化、中海油科研生产课题5项,发表研究成果论文6篇,获国家软件著作权2项,参与制定行业油气井测试管理细则1部。

工作基础

      国家“十二五”重大科技专项《超高温高压射孔、测试与改造技术》

      中石化南京威诺油气井测试公司科研合作项目《油气井测试技术管理要点研究项目--配套技术研究》

      中石化南京威诺油气井测试公司科研合作项目《伊朗雅达油田射孔丢枪工艺研究》

      中石化胜利分公司科研合作项目《动态负压数值模拟及设计软件》

      中海油科研合作项目《水平井多级射孔管串与可钻桥塞水力泵送排量设计

(8) 套管损坏机理及防治配套技术研究

       该项成果以套损井典型案例分析为基础,深入认识不同油田套管损坏机理,定量了评价地质因素(泥页岩蠕变、地应力环境、油层出砂、断层活动等)和工程因素(套管材质、固井质量、射孔损害、注水开发及增产压裂)对套管损坏的影响;在现行通用套管强度设计规范的基础上,针对现场不同地质环境和开发措施,建立了复杂工况下套管强度设计/安全评估标准,为复杂地质条件/开发工况下套管的可靠性评估及套损事故原因分析提供了依据。目前,该成果已完成油田生产课题2项,在研课题2项。

 工作基础

      上海宝山钢铁股份有限公司科研项目《套管损坏机理及安全评估系统研究》

      中石化胜利分公司科研合作项目《临盘油田套管损坏机理与控制技术》

      中石化胜利分公司科研合作项目《孤东油田套管损坏机理》

      中石化胜利分公司科研合作项目《作业施工过程中的套管损坏机理及预防措施研究》


射孔对套管强度影响的试验与数值模拟


套管损坏机理模拟